Java面試必備之JMM高並發編程詳解

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一、什麼是JMM

JMM就是Java內存模型(java memory model)。因為在不同的硬件生產商和不同的操作系統下，內存的訪問有一定的差異，所以會造成相同的代碼運行在不同的系統上會出現各種問題。所以java內存模型(JMM)屏蔽掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異，以實現讓java程序在各種平臺下都能達到一致的並發效果。

Java內存模型規定所有的變量都存儲在主內存中，包括實例變量，靜態變量，但是不包括局部變量和方法參數。每個線程都有自己的工作內存，線程的工作內存保存瞭該線程用到的變量和主內存的副本拷貝，線程對變量的操作都在工作內存中進行。線程不能直接讀寫主內存中的變量。

不同的線程之間也無法訪問對方工作內存中的變量。線程之間變量值的傳遞均需要通過主內存來完成。

每個線程的工作內存都是獨立的，線程操作數據隻能在工作內存中進行，然後刷回到主存。這是 Java 內存模型定義的線程基本工作方式。

溫馨提醒一下，這裡有些人會把Java內存模型誤解為Java內存結構，然後答到堆，棧，GC垃圾回收，最後和面試官想問的問題相差甚遠。實際上一般問到Java內存模型都是想問多線程，Java並發相關的問題。

二、JMM定義瞭什麼

這個簡單，整個Java內存模型實際上是圍繞著三個特征建立起來的。分別是：原子性，可見性，有序性。這三個特征可謂是整個Java並發的基礎。

原子性

原子性指的是一個操作是不可分割，不可中斷的，一個線程在執行時不會被其他線程幹擾。

面試官拿筆寫瞭段代碼，下面這幾句代碼能保證原子性嗎？

int i = 2;
int j = i;
i++;
i = i + 1;

第一句是基本類型賦值操作，必定是原子性操作。

第二句先讀取i的值，再賦值到j，兩步操作，不能保證原子性。

第三和第四句其實是等效的，先讀取i的值，再+1，最後賦值到i，三步操作瞭，不能保證原子性。

JMM隻能保證基本的原子性，如果要保證一個代碼塊的原子性，提供瞭monitorenter 和 moniterexit 兩個字節碼指令，也就是 synchronized 關鍵字。因此在 synchronized 塊之間的操作都是原子性的。

可見性

可見性指當一個線程修改共享變量的值，其他線程能夠立即知道被修改瞭。Java是利用volatile關鍵字來提供可見性的。 當變量被volatile修飾時，這個變量被修改後會立刻刷新到主內存，當其它線程需要讀取該變量時，會去主內存中讀取新值。而普通變量則不能保證這一點。

除瞭volatile關鍵字之外，final和synchronized也能實現可見性。

synchronized的原理是，在執行完，進入unlock之前，必須將共享變量同步到主內存中。

final修飾的字段，一旦初始化完成，如果沒有對象逸出（指對象為初始化完成就可以被別的線程使用），那麼對於其他線程都是可見的。

有序性

在Java中，可以使用synchronized或者volatile保證多線程之間操作的有序性。實現原理有些區別：

volatile關鍵字是使用內存屏障達到禁止指令重排序，以保證有序性。

synchronized的原理是，一個線程lock之後，必須unlock後，其他線程才可以重新lock，使得被synchronized包住的代碼塊在多線程之間是串行執行的。

三、八種內存交互操作

內存交互操作有8種：

  • lock(鎖定)，作用於主內存中的變量，把變量標識為線程獨占的狀態。
  • read(讀取)，作用於主內存的變量，把變量的值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便下一步的load操作使用。
  • load(加載)，作用於工作內存的變量，把read操作主存的變量放入到工作內存的變量副本中。
  • use(使用)，作用於工作內存的變量，把工作內存中的變量傳輸到執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用到變量的值的字節碼指令時將會執行這個操作。
  • assign(賦值)，作用於工作內存的變量，它把一個從執行引擎中接受到的值賦值給工作內存的變量副本中，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節碼指令時將會執行這個操作。
  • store(存儲)，作用於工作內存的變量，它把一個從工作內存中一個變量的值傳送到主內存中，以便後續的write使用。
  • write(寫入)：作用於主內存中的變量，它把store操作從工作內存中得到的變量的值放入主內存的變量中。
  • unlock(解鎖)：作用於主內存的變量，它把一個處於鎖定狀態的變量釋放出來，釋放後的變量才可以被其他線程鎖定。

我再補充一下JMM對8種內存交互操作制定的規則吧：

  • 不允許read、load、store、write操作之一單獨出現，也就是read操作後必須load，store操作後必須write。
  • 不允許線程丟棄他最近的assign操作，即工作內存中的變量數據改變瞭之後，必須告知主存。
  • 不允許線程將沒有assign的數據從工作內存同步到主內存。
  • 一個新的變量必須在主內存中誕生，不允許工作內存直接使用一個未被初始化的變量。就是對變量實施use、store操作之前，必須經過load和assign操作。
  • 一個變量同一時間隻能有一個線程對其進行lock操作。多次lock之後，必須執行相同次數unlock才可以解鎖。
  • 如果對一個變量進行lock操作，會清空所有工作內存中此變量的值。在執行引擎使用這個變量前，必須重新load或assign操作初始化變量的值。
  • 如果一個變量沒有被lock，就不能對其進行unlock操作。也不能unlock一個被其他線程鎖住的變量。
  • 一個線程對一個變量進行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內存。

四、volatile關鍵字

很多並發編程都使用瞭volatile關鍵字，主要的作用包括兩點：

  • 保證線程間變量的可見性。
  • 禁止CPU進行指令重排序。

可見性

volatile修飾的變量，當一個線程改變瞭該變量的值，其他線程是立即可見的。普通變量則需要重新讀取才能獲得最新值。

volatile保證可見性的流程大概就是這個一個過程：

volatile一定能保證線程安全嗎

先說結論吧，volatile不能一定能保證線程安全。

怎麼證明呢，我們看下面一段代碼的運行結果就知道瞭：

public class VolatileTest extends Thread {
private static volatile int count = 0;
public static void main(String[] args) throws Exception {
Vector<Thread> threads = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
VolatileTest thread = new VolatileTest();
threads.add(thread);
thread.start();
}
//等待子線程全部完成
for (Thread thread : threads) {
thread.join();
}
//輸出結果，正確結果應該是1000，實際卻是984
System.out.println(count);//984
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
//休眠500毫秒
Thread.sleep(500);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
count++;
}
}
}

為什麼volatile不能保證線程安全？

很簡單呀，可見性不能保證操作的原子性，前面說過瞭count++不是原子性操作，會當做三步，先讀取count的值，然後+1，最後賦值回去count變量。需要保證線程安全的話，需要使用synchronized關鍵字或者lock鎖，給count++這段代碼上鎖：

private static synchronized void add() {
count++;
}

禁止指令重排序

首先要講一下as-if-serial語義，不管怎麼重排序，（單線程）程序的執行結果不能被改變。

為瞭使指令更加符合CPU的執行特性，最大限度的發揮機器的性能，提高程序的執行效率，隻要程序的最終結果與它順序化情況的結果相等，那麼指令的執行順序可以與代碼邏輯順序不一致，這個過程就叫做指令的重排序。

重排序的種類分為三種，分別是：編譯器重排序，指令級並行的重排序，內存系統重排序。整個過程如下所示：

指令重排序在單線程是沒有問題的，不會影響執行結果，而且還提高瞭性能。但是在多線程的環境下就不能保證一定不會影響執行結果瞭。

所以在多線程環境下，就需要禁止指令重排序。

volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

  • 當程序執行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見，在其後面的操作肯定還沒有進行。
  • 在進行指令優化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變量後面的語句放到其前面執行。

下面舉個例子：

private static int a;//非volatile修飾變量
private static int b;//非volatile修飾變量
private static volatile int k;//volatile修飾變量
private void hello() {
a = 1; //語句1
b = 2; //語句2
k = 3; //語句3
a = 4; //語句4
b = 5; //語句5
//...
}

變量a，b是非volatile修飾的變量，k則使用volatile修飾。所以語句3不能放在語句1、2前，也不能放在語句4、5後。但是語句1、2的順序是不能保證的，同理，語句4、5也不能保證順序。

並且，執行到語句3的時候，語句1，2是肯定執行完畢的，而且語句1,2的執行結果對於語句3,4,5是可見的。

volatile禁止指令重排序的原理

首先要講一下內存屏障，內存屏障可以分為以下幾類：

  • LoadLoad 屏障：對於這樣的語句Load1，LoadLoad，Load2。在Load2及後續讀取操作要讀取的數據被訪問前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。
  • StoreStore屏障：對於這樣的語句Store1， StoreStore， Store2，在Store2及後續寫入操作執行前，保證Store1的寫入操作對其它處理器可見。
  • LoadStore 屏障：對於這樣的語句Load1， LoadStore，Store2，在Store2及後續寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。
  • StoreLoad 屏障：對於這樣的語句Store1， StoreLoad，Load2，在Load2及後續所有讀取操作執行前，保證Store1的寫入對所有處理器可見。

在每個volatile讀操作後插入LoadLoad屏障，在讀操作後插入LoadStore屏障。

在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障，後面插入一個SotreLoad屏障。

大概的原理就是這樣。

五、總結

要學習並發編程，java內存模型是第一站瞭。原子性，有序性，可見性這三大特征幾乎貫穿瞭並發編程，可謂是基礎知識。對於後面要深入學習起到鋪墊作用。

在這篇文章中，如果面試的話，重點是Java內存模型(JMM)的工作方式，三大特征，還有volatile關鍵字。為什麼喜歡問volatile關鍵字呢，因為volatile關鍵字可以扯出很多東西，比如可見性，有序性，還有內存屏障等等，可以一針見血地看出面試者的技術水平。

到此這篇關於Java面試必備之JMM高並發編程詳解的文章就介紹到這瞭,更多相關Java高並發編程內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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